高色纯度OLED器件在显示领域的前景和挑战

与传统液晶显示技术相比，有机发光器件（organic light emitting device，oled）具有重量轻、响应快、视角广、柔性可折叠等特点，已作为显示器广泛应用于智能手机。然而，由于有机分子的激发态能级受振动耦合影响较严重，oled显示器的发光色纯度普遍较低，这影响了其在高端显示领域的应用。为解决这一问题，研究人员在高色纯度oled所涉及的材料设计和结构工程方面进行了大量研究并取得了重要进展。
本文首先介绍了发光颜色量化规则，然后总结了针对荧光、磷光和热激活延迟荧光（tadf）材料的最新高色纯发光材料设计策略与研究结果。同时介绍了微腔效应及其用于提升器件发光纯度的方案。最后，讨论了高色纯度oled器件在显示领域的前景和挑战。
色坐标与色纯度
为了量化发光颜色，w. david wright等人通过人类色彩感知实验，得到了颜色匹配函数
，如图1(a、b)。通过矩阵变换与卷积计算可以得出三个颜色刺激值，进而得出该光源的色坐标值(ciex，ciey,1-ciex- ciey)。如图1(c)所示，我们一般选用(ciex，ciey)作为某种光源的色坐标。
若将待测器件的色坐标分别与e光源色坐标和待测器件主波长色坐标连线，两线段长度的比值可称为色纯度，其表现一种颜色的鲜艳程度，也被称为饱和度。我们通常希望显示器的rgb发光色纯度越高越好。
图1：(a)颜色匹配函数；(b)标准颜色匹配函数；(c)色坐标。
图源：液晶与显示, 2023, 38(4):432-447.
高色纯度有机发光材料
振动耦合是影响有机发光材料色纯度的重要原因之一，其成因如图2(a、b)所示。图2(c)详细地总结了影响oled器件色纯度的机理：振动耦合会促进辐射跃迁过程，但同时也使辐射能量受到分子振动的严重干扰，导致材料的发射光谱展宽，相应器件的色纯度降低。
图2：(a)振动耦合原理示意图；(b)黄-里斯系数与光谱宽度的关系；(c)影响oled器件色纯度的机理。
图源：physical chemistry chemical physics， 2015， 17（26）：16959-16969.
本文针对荧光、磷光和tadf三种材料，分析了提高发光色纯度的有效方法，并总结了最新的材料设计策略与研究结果。其中，对于荧光材料，主要是设计扭曲、刚性结构抑制结构弛豫和分子聚集；对于磷光材料，主要是提高mlct/lc混合三线态中lc态所占的比例；而对于tadf材料，主要是设计具有多共振效应的结构。
高色纯度微腔器件
在oled器件中，带有两个导电平面镜的光学微腔可以等效为一个法布里-珀罗谐振腔。若微腔的共振频率与oled器件发光的频率相匹配，器件电致发光光谱峰值的强度则会得到提高，而偏离这一频率的光的强度将会减弱，整体表现为发光光谱的窄化和色纯度的提高，如图3所示。这一现象也被称为微腔效应。本文详细介绍了近年来利用微腔效应实现高色纯度发光的器件结构设计与优化方案。
图3：微腔oled中λ/2、λ和3λ/2谐振模式的示意图
结语
本文首先分析了实现高色纯度oled器件的难点和阻碍，并从材料和器件两个方面总结了最新的研究成果。其中，材料方面主要介绍了通过分子结构设计抑制分子振动耦合产生的光谱展宽；器件方面介绍了利用微腔效应对光谱进行的修饰。
虽然已报道了许多可应用于显示领域的高色纯度oled器件，但该领域仍存在一定的挑战，如需要进一步研究电子在振动能级之间的跃迁过程，开发同时具有较小fwhm值和较高量子效率的有机发光材料。通过不断深入研究发光材料的物理机制和优化器件结构，oled显示器的分辨率和色纯度也在不断提高。窄带发射oleds必将成为下一代高分辨率和宽色域显示技术的重要组成部分。